文｜Michael Hiltzik

譯｜林俊宏

 

　　厄尼斯特．拉塞福是科學界的大人物，他不是跟在別人的身後，而是在前方引領了時代的發展。某位朋友曾向他說：「你總是站在浪頭上」，而他立刻回答：「畢竟這浪都是我掀起來的，不是嗎？」他聲音宏亮，笑聲爽朗，很能接受當時那種「低俗的幽默」。他有個年輕的朋友查爾斯．史諾（Charles P. Snow），後來在文壇頗有名聲，筆下小說正是以學術圈與政界為場景；史諾所記得的拉塞福勳爵是個「身型高大，有些笨拙的人，兩塊胸肌像凸窗一樣高聳厚實」，另外「一雙藍色大眼炯炯有神，下唇濕潤下垂」。

 

　　拉塞福於一八七一年生於紐西蘭，父親是個零工。當時的紐西蘭還是大英帝國的一個偏遠屬地，而拉塞福天生就有成為理論家的天份，也成為當代的傑出實驗物理學家。他的天賦無庸置疑，靠著自己親手製作的實驗設備，推導出各種重要的實驗結果。一位前學生羅素（A.S. Russell）就說過：「拉塞福是藝術家，所做的實驗都有其風範。」拉塞福僅僅二十四歲的時候，就獲得研究生獎學金，第一次來到劍橋大學著名的卡文迪許實驗室。當時是一八九五年，剛好是物理學的關鍵時刻，物理學家研究著儀器中剛觀察到的各種奇特物理力。拉塞福抵達的僅僅一個月前，德國物理學家威廉．倫琴（Wilhelm Roentgen）發現，某種放電方式會產生穿透力極高的輻射，能在照相底片上呈現出人手骨骼的結構。倫琴把這項發現稱為X光。

 

　　倫琴的發現，讓巴黎物理學家亨利．貝克勒（Henri Becquerel）也開始尋找其他關於X光的跡象。貝克勒的作法，是將各種化合物放在陽光下，看看是否會強化陽光的能量。他會把照相底片用黑紙密封起來，選定某種化合物蓋上去，一起放在陽光下，看看化合物是否能強化陽光的能量，讓密封的底片上出現影像。一八九六年二月，巴黎天氣陰鬱，他在密封的底片上撒了一層鈾鹽，本來要做最新的實驗，卻因為太陽不露臉，決定先收回抽屜裡。但他沖洗這張底片時，卻發現底片在黑暗的抽屜裡，已經由鈾放出的放射線而感光。

 

　　瑪麗．居禮及先生皮耶．居禮很快就在自己的巴黎實驗室裡發現，貝克勒的射線是由某些元素自然產生的，其中就包括夫妻所發現的兩種元素；一個命名為「釙」（polonium），以紀念波蘭（Poland），另一個則命名為「鐳」。他們把這種現象稱為「放射性」。（由於原稱為「貝克勒輻射」的這項發現，貝克勒和居禮夫妻後來在一九○三年同獲諾貝爾獎。）

 

　　其他科學家同時也展開研究，希望能揭開原子內部的謎團。卡文迪許實驗室主任約瑟夫．湯姆森（Joseph John “J.J.” Thomson）曾經指導過拉塞福，他在一八九七年發現了電子，因而確定了原子能夠分割成更小的粒子，當時稱為微粒（corpuscle）。湯姆森為這種原子提出一項結構模型，認為帶負電的電子均勻分佈在一個帶正電的團塊中，就像葡萄乾在布丁蛋糕裡一樣。也不難想像，後來這種模型就被稱為「葡萄乾布丁」（plum pudding）原子模型。要再過十四年，拉塞福才推翻了這個模型。與此同時，拉塞福忙著研究「鈾輻射」（uranium radiation），這是他對貝克勒輻射的稱呼。在一八九九年，他已經確定鈾輻射有兩種不同的射線，依穿透力分為兩種：一種是α射線，只要用鋁、錫或銅片就能阻擋；另一種則是更強大的β射線，能夠輕鬆穿透銅、鋁、其他輕金屬和玻璃。這時的拉塞福已經搬到蒙特婁，在麥基爾大學（McGill University）擔任教職。該大學有一位加拿大商人資助，擁有一間設備精良的實驗室，可說是早期的產業贊助科學的實例。拉塞福手下有一位天資出眾的助手弗雷德里克．索迪（Frederick Soddy）；索迪創出了「同位素」（isotope）一詞，用來指稱同一元素結構不同但化學上相同的形式。拉塞福也確定了鈾、釷和鐳等重元素的放射性是透過衰變（decay）而產生，這是一種自然的過程，有時候只要幾分鐘就會發生，有時候則要花上幾年、幾百年、甚至是幾千年，而衰變為低放射性的鉛。到最後，發現α射線其實就是失去電子的氦原子（稱為helium nuclei，也就是「氦核」）；至於β射線則是高能量的電子。這項研究發現，讓拉塞福贏得了一九○八年的諾貝爾化學獎，當時他已經回到英國，在曼徹斯特大學擔任教授。

 

　　在那裡，他進一步探尋原子結構的核心問題，在科學上有了更大的成就。在葡萄乾布丁模型提出的多年之後，他談到：「我的成長過程中，一直以為原子就是個結實的傢伙，會有不同口味，可能是紅的、也可能是灰的。」雖然他已經開始懷疑原子的結構主要是空洞的空間，而不是散落著帶電微粒的同質團塊，但他還沒想出另一種模型。他在曼徹斯特有兩位研究生助理漢斯．蓋革（Hans Geiger）和厄尼斯特．馬斯登（Ernest Marsden），三人以α粒子為工具，試著想找出新的模型。就他所知，α粒子會受磁場影響而有些許偏斜，但通過固體物質時（甚至只是像雲母之類薄薄的一片），偏斜的程度甚至更大。由此可見，原子的內部並不是個平靜而結實的布丁蛋糕，而是個電磁漩渦，會讓粒子在通過時受到干擾。拉塞福為此做的實驗，是在玻璃小管裡用純化的鐳放射出α粒子，撞擊一片薄薄的金箔。另外再用一片玻璃板塗上硫化鋅，只要受到α粒子撞擊，就會出現閃爍（scintillation），而蓋革和馬斯登便以此記錄α粒子的散射狀況。從這個裝置，可以看出拉塞福具代表性的簡潔和行事風格，但實際的實驗過程繁重難以言表。首先，實驗觀察者得在黑暗的實驗室裡坐上一小時，才能讓眼睛適應黑暗；接著每次也只能觀察一分鐘，因為像這樣一直透過顯微鏡緊盯著螢幕觀察閃爍現象，會因為壓力讓人也看到一些只是出於想像的閃爍。（蓋革最後就發明了以他為名的蓋革計數器，用來計算粒子，好擺脫無趣的實驗過程。）

 

　　實驗顯示，大多數α粒子通過金箔之後，偏折非常輕微、甚至完全沒有偏折，但有大約八分之一這個很小的比例，會出現大角度的反彈，甚至有些直接彈回來源處。

 

　　拉塞福對結果大感震驚。他在多年後回憶道，「這件事不可思議的程度，就像你向一張衛生紙發射了一枚十五吋的炮彈，但它卻反彈回來擊中你一樣」，而這也成了核子物理學史上最珍貴的一幅畫面。他很容易想通究竟發生了什麼事，因為要發生這種現象，原子的組成只有一種可能，也就是幾乎所有的質量都集中於一個微小的帶電核心，而其他主要只是空洞的空間。α粒子要有偏折的現象，必須是碰巧直接撞擊到該核心，又或是近到足以被核心的電荷影響才有可能。拉塞福最後的結論認為，這個核心就是原子核。

 

　　拉塞福的發現徹底改變了物理學的原子模型，但這還不是他最高的成就。他的巔峰之作是在一九一九年，點出了比一九一一年衛生紙反彈還更令人震驚的現象。

 

　　拉塞福當時已經再次轉換地點，來到劍橋，擔任卡文迪許實驗室的主任。卡文迪許實驗室於一八七四年成立，首任主任為詹姆斯．克拉克．馬克士威（James Clerk Maxwell），他當時的名聲還不響亮。但短短幾年間，他關於電力和磁力的論文就讓他成了全球知名的學者，也連帶使得卡文迪許實驗室成為在歐洲領先的科學中心。馬克士威將電和磁視為同一現象（電磁學）的一體兩面，如此一來便能連結牛頓的古典物理與愛因斯坦的相對論；在他的領導下，卡文迪許實驗室成為英國物理學實驗傳統活生生的寶庫。

 

　　到了拉塞福的年代，卡文迪許實驗室雖然外表樸實，但聲名遠播，正是小科學年代機構的典範。整棟建築就像是一個「L」，包著一個小庭院；建築的長邊有三層樓，頂樓傾斜的屋頂還有山牆窗緊密排列著。而在建築內部，有一個大實驗室、一個供「教授」使用的小實驗室、一個放實驗設備的房間，還有一個演講廳。面對大約四十名學生，拉塞福每週會講三次課，偶爾還會從外套口袋裡掏出幾張零散的筆記小抄。一九二○年代中期，物理學家馬克．歐力峰（Mark Oliphant）從澳洲來到卡文迪許，說這裡「地板沒鋪地毯，松木門上的漆灰灰濛濛，灰泥牆沾染著污漬，光線透過天窗骯髒的玻璃，冷冷地照亮一切。」至於拉塞福這位主任，在他筆下是個「高大、臉色紅潤的人，有著漸漸稀疏的金髮，以及一把大鬍子，叫我不得不想起日用品店或郵局門口的警衛。」該實驗室嚴格遵守歐洲的「紳士傳統」，不管有沒有實驗做到一半，晚上六點就關門，負責關門的老先生會火冒三丈地瞪著還在實驗桌邊的科學家，把手上鑰匙搖得叮噹作響，提醒時間。當時，會覺得晚上加班是種「糟糕的品味，糟糕的做事方法，糟糕的科學」。

 

　　卡文迪許實驗室也很自豪，在那個年代雖然只有極度匱乏的資源，卻取得了種種重大的進步。當時，整個實驗室的年度預算只有大約二千英鎊，換算起來大約是二十一世紀的八萬美元，以其研究的規模而言，就算在當時也是非常拮据。但靠著拉塞福等人的精明幹練、巧手苦心，運用著簡單而典雅的實驗儀器，得出最佳的實驗結果。在一九一九年所做的幾項實驗，正能表達拉塞福的風格。

 

　　拉塞福與實驗技巧不相上下的詹姆斯．查兌克合作，將他的α粒子打向各種氣體：氧氣、二氧化碳，甚至是普通的空氣。將一九一一年馬斯登—蓋革兩人的實驗儀器進一步改良之後，他們發現如果撞擊的是普通的空氣，產生的閃爍會特別頻繁，很像是氫原子核（也就是質子）的情形。拉塞福也推論出正確的解釋：這是因為空氣中有百分之八十是氮氣。

 

　　拉塞福寫道：「結論必然是如此，氮原子受到α粒子高速碰撞後解體，而釋放的氫原子則是氮核的一部分。」這些話講得謹慎，卻還是讓科學界地動山搖，因為拉塞福描述的正是原子的第一次人工分裂。最後會發現，這個反應是氮核（有七個質子和七個中子）吸收了α粒子的二個質子和二個中子，再釋放出一個中子，而使氮十四衰變成同位素氧十七。然而真正讓科學界走上新路的，是拉塞福在論文結尾指出的願景。他寫道：「整個結果顯示，如果實驗時能用更大的能量來發射α粒子（或類似的子彈），就可能擊碎許多較輕原子的核結構。」

 

　　換言之，過去要研究原子核的時候，是以鐳和釙自然產生的α粒子做為探針，但此時它們已經功成身退，其能量已不足以邁向進一步的實驗。人類必須設法為這些子彈提供更大的能量：在大自然的賦予之外，人類得再發揮一點巧思，創造出新的核子探測器。此時，拉塞福已經為核子物理學的未來指出目標。但想要抵達那個位在遙遠地平線另一端的目標，就需要巨大的能量，而那絕非拉塞福當時那種極簡典雅的實驗儀器所能提供。

 

 

　　拉塞福的發現，讓物理學界一時創意大爆發。歐本海默後來把這個時期稱為「英雄時代」，不只是因為諸多智識能力都投入在拉塞福提出的這項挑戰，更因為當時的整個氣氛就是人類智識面臨著重大的危機。當時，物理學家面對諸多互相矛盾的理論，對於自然世界的概念一團混亂。幾乎是整個一九二○年代，科學家都很懷疑自己究竟有沒有可能解決這些問題。

 

　　從當時傑出物理學家所留下的話語之中，就可清楚感受到知識分子的絕望。德國物理學家馬克斯．玻恩（Max Born）是最早一批接受量子力學這套新理論的科學家，他在一九二三年寫道，量子力學引發的理論矛盾不斷增加，必然意味著「整個物理概念體系必須從頭重建。」維也納理論家沃夫岡．包立智識嚴謹、言辭鋒利，像是他曾在批評某篇拙劣的論文時，講了一句著名的批評，說那篇論文「甚至連錯也說不上」，講的正是因為物理學在一九二五年已經變得「絕對混亂」，讓人甚至「希望自己從來沒聽說過物理學。」就連思緒清晰的詹姆斯．查兌克，說起在卡文迪許實驗室的實驗，也說當時「如此絕望，如此牽強，簡直就像是在煉金術的時代。」

 

　　雖然這些學術上的追尋如此複雜（或許也正因如此），但卻引起了公眾的注意。對於一九二○年代的一般人來說，物理學就像有了一種戲劇性、甚至是浪漫的光環。一九一九年十一月，在英國皇家學會和皇家天文學會的聯合會議上，亞瑟．愛丁頓爵士（Sir Arthur Eddington）證實了愛因斯坦的相對論，這項重大成就開啟了一戰戰後十年。倫敦《泰晤士報》下了歷史性標題：「科學革命／宇宙新理論／牛頓理論遭到推翻」。愛丁頓積極宣傳，讓相對論進入流行文化，而愛因斯坦這位相對論之父也就成了國際名人。這一切讓大眾渴求關於科學的新聞，希望瞭解科學如何研究自然界的基本原理，也讓現代物理學家有了一種勇者的形象，覺得他們就是要跋涉到世界盡頭、收集資料；正如愛丁頓就曾遠赴非洲的普林西比島（Príncipe），觀測日蝕，據以證實相對論。

 

　　對於這些最新突破，報紙顯得再飢渴不過，也讓眾科學家成了名人。一九二一年，居禮夫人和兩個女兒夏娃和艾琳造訪美國六週，民眾對她們的欽佩之情隨之爆發。這次造訪的幕後推手是紐約社交名媛暨雜誌企業家瑪麗．瑪汀利．梅洛尼女士（Marie Mattingly Meloney），當她得知居禮夫人的研究居然因為鐳的供應不足而出問題，大為吃驚。她想出了一項計劃，希望能募到十萬美元來購買一公克的鐳（大概是能放進頂針的大小），並讓居禮夫人搭輪船到美國接受這份禮物。在居禮夫人抵達的隔日早晨，《紐約時報》還在頭版寫道「居禮夫人準備讓所有癌症畫下句點」（這是一項大膽的斷言，而且《紐時》第二天就默默收回了這個說法）。居禮夫人訪問的高潮，就是在白宮星光熠熠的招待會上，梅洛尼和華盛頓社交名流冠蓋雲集，其中還包括老羅斯福的女兒、社交名媛愛麗絲．羅斯福．朗沃斯（Alice Roosevelt Longworth）。在招待會上，居禮夫人直接從哈定總統的手裡接過一小管綁著緞帶的鐳，並「用彆腳的英語」（這是《紐時》的說法）表達感激之情。就算是在小科學的時代，募資仍然就是這麼一回事。

 

　　大眾開始想像，以為物理學可以解釋自然界的所有現象，包括化學和生物方面。例如拉塞福的傳記作者亞瑟．伊夫（Arthur S. Eve）就寫道，物理學家「不斷努力，一開始也有些成績，希望能用正負電子以及這些電子在以太裡產生的效應，解釋所有物理和化學變化。」而在他看來，如果這些物理學家是對的，就代表「像是遺傳、記憶、智識，以及人類對道德和宗教的想法……都能用正負電子和以太來解釋。」

 

　　然而，不是所有物理學家都如此自信。在整個一九二○年代，物理學愈來愈瞭解原子結構的精妙，但對自然界的描繪卻變得更加模糊。這裡的困惑，來自於兩項彼此相關、但同樣叫人困惑的現象。第一項，是在無限小的尺度下，自然界有著所謂的波粒二象性：從實驗結果看來，光和電子有時候會表現得像粒子，但也有時候表現得像是波。

 

　　愛因斯坦從早期在光電效應的研究結果強烈認為，光是由一種稱為「光量子」（light quanta）的粒子組成。但他也承認，像是繞射、干涉和散射等現象，顯然像是波。觀察到這些矛盾之後，愛因斯坦並未解決，而是把問題攤在同行的面前。在一九○九年於德國薩爾茲堡的一場科學研討會上，他就表示：「在我看來，理論物理的下一階段發展將會提出一種光學理論，能夠將波和粒子的理論結合起來。」

 

　　物理學家一直到一九二○年代中期，還在研究次原子行為的奧祕，希望隨著得到愈來愈多觀測結果，就能讓他們瞭解真相。但事實卻正相反：獲得的資料數據愈多，反而似乎愈難下定論。年輕的德國理論物理學明日之星維爾納．海森堡（Werner Heisenberg）回想，「很奇怪的是，我們愈接近解決方案，矛盾就變得愈嚴重。」當時唯一說得通的答案，似乎就是英國物理學家威廉．布拉格（William Bragg）爵士所說的：「星期一三五，是由上帝根據波動理論來操縱電磁學；至於星期二四六，則是魔鬼用量子理論來操縱電磁學。」

 

　　最後終於解決問題的是海森堡和他的導師：說話溫和但思想邏輯極其嚴謹的丹恩．尼爾斯．波耳（Dane Niels Bohr）。海森堡描述這個過程，說這就像是在濃霧裡忽然冒出了一個物體。他們的結論認為，在量子尺度上，人類的所知僅限於「能觀察到」的事件，而這樣的所知就會受到觀察工具的限制。換言之，如果實驗設備的設計假定電子是粒子，觀察到的電子就會是粒子；如果設計假設電子是波，觀察到的電子就會是波。實際上，粒子和波都只是電子的一體兩面，同樣都是事實，並無矛盾；在波耳看來，這是一種「互補性」。

 

　　雖然「互補性」是理論上的重大突破，卻還是無法藉以參透原子核的問題。一九二○年代第二項令人困惑的物理難題，就在於原子核究竟構造為何。

 

　　厄尼斯特．拉塞福把原子描述成一個微型的太陽系，旁邊圍繞著帶負電的電子，中間則是由帶正電的質子和帶負電的電子組成原子核，體積小但質量大。這種模型看似簡潔明瞭，於是成為許多人認定的真相，特別是波耳在一九一三年還為模型加了一個前提，使得模型看來更加完整。波耳認為，在一定能量下，電子會繞原子核作圓周運動；這樣一來，在控制軌道運動的古典力學、以及控制能量大小的量子力學之間，似乎就能達成和解，進而決定電子運行軌道所形成的「殼」。當時認為，原子核裡的質子多於電子，因而帶正電，至於在圓周軌道上的電子則是帶負電，於是兩相平衡之下，原子整體為電中性。照拉塞福的估算，如此一來，氦原子就是在軌道上有二個電子、在原子核則有四個質子與二個電子；鐳則是在軌道上有一百三十八個電子、在原子核則有二百二十六個質子、八十八個電子。

 

　　大家很快就發現，這個模型造成的問題比解決的問題還多，而且原子愈重，問題就愈大。一九二三年，波耳的原子模型邁入十週年，但物理學家對於模型能否適用所有原子已有疑慮。真正做實驗觀察之後，就發現波耳的模型只適用於最簡單的原子（氫，只有一個質子和一個電子）。只要到了第二輕的原子（氦），模型的結果就會開始出現異常，最後也就讓馬克斯．玻恩講出那些絕望的話。

 

　　這裡在搞麻煩的，就是那些原子核裡的電子。沒有人能解釋這麼大的粒子能怎樣放進原子核裡；就算放得進去，也沒人能解釋這些帶著高能量的粒子為什麼會乖乖不動。波耳本人最後也不得不承認，他所珍視的量子力學或許就是不適用於解釋原子核，有可能需要有更新、更叫人摸不著頭緒的力學，才能解釋日益增加的實驗異常現象。

 

　　現成就有的解決方案，出自拉塞福之手。這位卡文迪許實驗室的大老，在一九二○年代初就已經不斷研究這個謎團，一開始認為是因為原子核內的壓力太大，使得電子「大為變形」，於是產生與軌道上的電子大不相同的特徵。他認為這樣一來，電子可能與質子結合，形成一個不帶電、前人未曾發現的複合粒子，他稱之為中子。

 

　　拉塞福派出忠實的查兌克，要他找出這難以捉摸的中子。多年後，查兌克回憶道：「他詳詳細細地向我說明……很難想像，如果基本粒子只有質子和電子，原子核的構造會變得多麼複雜難解，所以需要藉助中子的理論來解釋。他也大方向我承認，他的說法多半只是純粹猜測……而且除了私下場合，他也很少去談這些事」，但「他完全讓我成了忠實的信徒。」

 

　　隨著研究進展，發現如果想解開原子核結構的謎團，所需的能量顯然必須比自然界能提供的更高。拉塞福倒是很樂意公開指出這件事背後的意涵。鐳發射出α粒子的能量只有微弱的七百六十萬電子伏特（electron volt），而發射β射線（也就是電子）的能量更只有三百萬電子伏特。拉塞福表示：「我們需要能提供一千萬電子伏特的設備，而且必須安全地放在合理大小的房間，以幾千瓦的功率就能運行……我推薦這個有趣的問題，希望技術領域的朋友能注意。」

 

（本文為《大科學：從經濟大蕭條到冷戰，軍工複合體的誕生》部分書摘）

 

 

書籍資訊

書名：《大科學：從經濟大蕭條到冷戰，軍工複合體的誕生》 Big Science: Ernest Lawrence and the Invention That Launched the Military-Industrial Complex

作者：Michael Hiltzik

出版：左岸文化

日期：2021

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